【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ） 、單相電流（ Ia） 正弦波信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為與之同頻同相的方波信號(hào)。而 A/D 轉(zhuǎn)換單元可以識(shí)別的信號(hào)只限于 0~5V 的直流信號(hào)，所以從繼電保護(hù)試驗(yàn)裝置采集來(lái)的三相電壓（ Uab、 Ubc、 Uac）、 三相電流 （ Iab、 Ibc、 Ia） 信號(hào)首先要經(jīng)過(guò)交直變換單元轉(zhuǎn)換為與之成線性關(guān)系的直流信號(hào)，即將交流電量轉(zhuǎn)換為交流電量的有效值。 15 3. 3 船舶發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)單元 在船舶發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)單元中，采用了 AH6B 型的萬(wàn)能式自動(dòng)空氣斷路器。過(guò)載保護(hù)裝置和外部短路保護(hù)裝置由萬(wàn)能式自動(dòng)空氣斷路器中的過(guò)電流脫扣器來(lái)?yè)?dān)當(dāng)，同萬(wàn)能式自動(dòng)空氣斷路器中的失壓脫扣器實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)的功能。在本單元中裝設(shè)了逆功率繼電器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)逆功率狀態(tài)的繼電保護(hù)。繼電保護(hù)單元主要由船舶發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)柜構(gòu)成，裝 置內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)動(dòng)作裝置還包括成比例變換電流的電流互感器、成比例變換電壓的電壓互感器、實(shí)現(xiàn)延時(shí)動(dòng)作的時(shí)間繼電器以及進(jìn)行過(guò)流保護(hù)的熔斷器等等，這些裝置的設(shè)置對(duì)于繼電保護(hù)的功能實(shí)現(xiàn)都是必不可少的。繼電保護(hù)單元的內(nèi)部工作原理如所示 32 所示。 船舶發(fā)電機(jī)綜合保護(hù)試驗(yàn)裝置在對(duì)原有試驗(yàn)裝置進(jìn)行硬件改造的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的遙測(cè)和遙控。從實(shí)現(xiàn)遙測(cè)功能的角度而言，需要遙測(cè)的狀態(tài)量包括 ： 三相電壓、三相電流、功率、頻率、功率因數(shù)，以及實(shí)驗(yàn)屏上總計(jì) 10 盞實(shí)驗(yàn)狀態(tài)指示燈的亮滅狀態(tài) ； 從實(shí)現(xiàn)遙控的角度而 言，一方面考慮到遙控功能的實(shí)現(xiàn)，在所有原有動(dòng)作繼電器電路的兩段并聯(lián)了由上位機(jī)進(jìn)行遙控的可以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)功能的繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)。此外，考慮到遙控狀態(tài)和機(jī)旁狀態(tài)的互鎖，所有原有動(dòng)作繼電器的電路中都串聯(lián)了實(shí)現(xiàn)遙控選擇功能的繼電器的常閉觸點(diǎn)，與之相并聯(lián)的電路中串聯(lián)了實(shí)現(xiàn)遙控選擇功能的繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)。 上位 PC 機(jī)與鍵盤(pán)顯示單元 船舶發(fā)電機(jī)綜合保護(hù)試驗(yàn)裝置的上位機(jī)控制部分由 PC 機(jī)和鍵盤(pán)顯示單元兩部分構(gòu)成。其中，在 PC 機(jī)上運(yùn)行由 Visual 語(yǔ)言編寫(xiě)的可執(zhí)行程序 文件，通過(guò) PC 機(jī)串行 接口與 89C51 單片機(jī)控制系統(tǒng)的通信，實(shí)現(xiàn)了 16 對(duì)遙控狀態(tài)，各項(xiàng)實(shí)驗(yàn) （ 包括過(guò)載、欠壓和逆功率實(shí)驗(yàn) ） 繼電器動(dòng)作值和動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行整定的功能。 單片機(jī)控制系統(tǒng)將 PC 機(jī)和試驗(yàn)裝置聯(lián)系在一起，一方面它對(duì)從試驗(yàn)裝置采集來(lái)的動(dòng)態(tài)量進(jìn)行處理，然后通過(guò)串行通信將結(jié)果送 PC 機(jī)進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)了 PC機(jī)對(duì)試驗(yàn)裝置的遠(yuǎn)程測(cè)量 ； 另一方面它將串行通信得到的上位機(jī)發(fā)出的實(shí)驗(yàn)操作指令進(jìn)行執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了 PC 機(jī)對(duì)試驗(yàn)裝置的遠(yuǎn)程控制。 此外，為了使發(fā)電機(jī)控制屏和單片機(jī)控制系統(tǒng)成為一組相對(duì)獨(dú)立的保護(hù)裝置，在缺少上位機(jī) PC 機(jī)時(shí)也能夠保證正常工作，該試驗(yàn) 裝置在單片機(jī)系統(tǒng)中擴(kuò)展了鍵盤(pán)及液晶顯示單元，通過(guò)程序處理，實(shí)現(xiàn)人際對(duì)話，完成該裝置要求的所有試驗(yàn)功能。本文在分別在第 4 章和第 5 章中，對(duì)鍵盤(pán)顯示單元的硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)做了相應(yīng)的介紹。 第 4 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 4. 1 主控單元（ MCU） 主控單元采用 ATMEL 公司的 AT89C51 控制芯片，是一種高性能、低電壓、低功耗的 8 位 CMOS 微型處理器，它具有 40 針腳，與 51 系列單片機(jī)的指令、管腳完全兼容。其主要性能如下 ： 1. 4KB 可編程 Flash 存儲(chǔ)器 （ 可擦寫(xiě) 1000 次 ） 器保密 ： OHz24MHz 4. 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM 5. 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 7. 6 個(gè)中斷源 8. 32 條 110 引線 AT89C51 芯片管腳功能分配如圖 41 所示 ： 17 AT89C51 片內(nèi)具有的 4K 字節(jié)能夠完全滿足本試驗(yàn)裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。在控制軟件的支持下， CPU 對(duì)外圍電路進(jìn)行控制、計(jì)算，將檢測(cè)電路輸入的各種測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)將計(jì)算得到的控制結(jié)果輸出給控制電路對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作， 完成整套控制過(guò)程。 單片機(jī)控制系統(tǒng)的主控單元模塊由 89C51 芯片、時(shí)鐘電路、譯碼電路和復(fù)位電路四部分組成。主控單元是整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)了在始終脈沖作用下運(yùn)行固化程序，對(duì)單片機(jī)地址進(jìn)行譯碼分配，以及當(dāng)程序運(yùn)行故障自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位等功能。主控單元模塊結(jié)構(gòu)如圖 42 所示。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 18 該模塊的功能是將電網(wǎng)中的模擬信號(hào) （ 電壓信號(hào)、電流信號(hào) ） 經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成單片機(jī)系統(tǒng)能夠進(jìn)行處理的數(shù)字信號(hào)。本試驗(yàn)裝置主要采集三相電壓以及三相電流共計(jì)六路模擬量。該模塊主要由電量變換單元和 A/D 轉(zhuǎn)換單元兩部分組 成。其中選用 ADC0809 芯片實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換功能。 4. 2. 1 電量變換單元 電量變換單元主要由電壓變換單元和電流變換單元組成，其變換功能分別由 微型交流電壓電量隔離傳感器和微型交流電流電量隔離傳感器實(shí)現(xiàn)，這兩種隔離傳感器可以分別求取三相交流電壓和三相交流電流的有效值。電壓變換單元和電流變換單元的原理圖分別如圖 43 和圖 44 所示。 為了滿足 ADC0809 電壓輸入范圍在 05V 的要求，因此交流電量隔離傳感器的輸出量 （ 電流量 ） 在送到 ADC0809 輸入端之前，均需經(jīng)過(guò)電阻轉(zhuǎn)變成 05V的電壓量 。 4. 2. 2 A/D 轉(zhuǎn)換單元 ADC0809 芯片說(shuō)明 [2] 本試驗(yàn)裝置的 A/D 轉(zhuǎn)換單元中，采用了 ADC0809 芯片。 ADC0809 包括一個(gè) 8位的逼近型的 ADC 部分，并提供一個(gè) 8 通道的模擬多路開(kāi)關(guān)和聯(lián)合尋址邏輯。用它可直接輸入 8 個(gè)單端的模擬信號(hào)，分時(shí)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，再多點(diǎn)巡回監(jiān)測(cè)、過(guò)程控制等領(lǐng)域中使用非常廣泛。 ADC0809 的主要技術(shù)指標(biāo)為 ： 19 分辨率 ： 8 位 單電源 ： +5V 總的不可調(diào)誤差 ： 士 1LSB 轉(zhuǎn)換時(shí)間 ： 取決于時(shí)鐘頻率 模擬輸入范圍 ： 單極性 05V 時(shí)鐘頻率范圍 ： 10KHZ1280KHZ ADC0809 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 45 所示，引腳如圖 46 所示，其引腳功能如下 ： 1. IN0IN7 為八路模擬電壓輸入線，用于輸入被轉(zhuǎn)換的模擬電壓。 址輸入和控制共計(jì) 4 條，其中 ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng) ALE線為高電平時(shí)， ADDA， ADDB 和 ADDC 三條地址線上地址信號(hào)得以鎖存，經(jīng)譯碼后控制八路模擬開(kāi)關(guān)工作。 ADDA， ADDB 和 ADDC 為地 址輸入線，用于選擇 INO IN 1 上哪一路模擬電壓送給比較器進(jìn) 行 AID 轉(zhuǎn)換。 ADDA， ADDB和 ADDC 對(duì) IN0 IN 1 的選擇，即地址信號(hào)與選中通道的關(guān)系，如表 41 所示。 20 21 11 條，其中 START 為“啟動(dòng)脈沖”輸入線，該線上正脈沖由 CPU 送來(lái)，寬度應(yīng)大于 100ns，上升沿清零 SAR，下降沿啟動(dòng) AOC 工作。 EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線，該線上高電平表示 A/D 轉(zhuǎn)換己結(jié)束，數(shù)字量己鎖入“傘態(tài)輸出鎖存器”。 21— 28為數(shù)字量輸出線， 21為最高位。 OE 為“輸出允許”線，高電平時(shí)能使 21— 28引腳上輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。 線 5 條，其中 CLOCK 為時(shí)鐘輸入線，用于為 ADC0809 提供逐次比較所需 640KHz 時(shí)鐘脈沖序列。 Vcc 為 +5V 電源輸入線， GND 為地線。V REF（ +） 和 Vcc 相連， V REF（ ） 常接地。 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元電路設(shè)計(jì) 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖如圖 47 所示。圖中外部輸入模擬電壓量通過(guò)電容濾波后送到 ADC0809 的 IN 端， ALE 和 START 互連可以使 ADC0809 在接收模擬量路數(shù)地址時(shí)啟動(dòng)工作， START 啟動(dòng)信號(hào)由 89C51 的 WR 和譯碼器輸出端經(jīng)或非門(mén)產(chǎn)生，一般情況時(shí)， START 因譯碼器輸出 端為高電平而封鎖，當(dāng) 89C51執(zhí)行如下程序 ： MOV R0， 5FFFH MOV A， 07H ； 選擇 IN7 模擬電壓地址送累加器 A MOV S @DPTR， A ； START 上產(chǎn)生正脈沖 后， START 上正脈沖啟動(dòng) ADC0809 工作， ALE 上正脈沖使 ADDA， ADDB 和ADDC 上的地址得到鎖存，以選中 IN7 路模擬電壓送比較器。顯然， 89C51 此時(shí)是把 ADDA ， ADDB 和 ADDC 上地址作為數(shù)據(jù)來(lái)處理的。 22 EOC 線經(jīng)過(guò)反 相器和 89C51 的 INTO 線相連，這說(shuō)明 89C51 是采用中斷方式和 ADC0809 傳送 AID 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。此外， ADC0809 所需的 CLOCK 信號(hào)是由 89C51 的 ALE 信號(hào)提供。 89C51 的 ALE 信號(hào)通常是每個(gè)機(jī)器周期出現(xiàn)兩次，所以它的頻率是單片機(jī)始終頻率的 1/6。若 89C51 的主頻是 6MHz，則 ALE信號(hào)頻率就為 1MHz，我們采用的 89C51 的主頻是 ，故 ALE 信號(hào)頻率為 ，若使 ALE 上信號(hào)經(jīng)觸發(fā)器四分頻到 ADC0809 的 CLOCK 輸入端，就可以獲得小于 500KHz 的 AID 轉(zhuǎn)換脈沖。當(dāng)然， ALE 上脈沖會(huì)在 MOVX指令的每個(gè)周期內(nèi)少出現(xiàn)一次，但在通常情況下影響不大。 頻率測(cè)量模塊 該模塊的主要功能就是檢測(cè)三相電量的頻率、相位差及功率因數(shù)角。該模塊主要由波形變換單元、周期測(cè)量單元和相位差測(cè)量單元三部分組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 48 所示。 波形變換單元的功能是將單項(xiàng)電壓的輸出波形變換為與之同頻的方波波形 ； 將 單相電流輸出波形更換為與之同頻返相的方形波形。 23 周期測(cè)量單元和相位測(cè)量單元的主要功能是通過(guò) 8253 芯片的計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 Intel8253 是一片具有三個(gè)獨(dú)立的 16 位計(jì)數(shù)器通道的可編程定時(shí)器、計(jì)數(shù)器芯片。我們知道，周期和頻率互為倒數(shù)關(guān)系，所以只要得到二者之中的一個(gè)值，就可知道另外一個(gè)的值，因此在實(shí)驗(yàn)中，我們采用了測(cè)量周期的方法，從而間接得到我們所需要的頻率值。對(duì)于功率因數(shù)的測(cè)量，我們也可以先通過(guò)測(cè)量功率因素角必的值，在根據(jù)功率因數(shù)等于 cos 必得到。圖 49 為頻率測(cè)量電路原理圖，該原理圖用到了 8253 計(jì)數(shù)器 0 和計(jì)數(shù)器 1，兩個(gè)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖 CLK1 均采用 。 串行通信模塊 串行通信簡(jiǎn)介 串行通信概念及方式 [20] 串行通 信是指數(shù)據(jù)字節(jié)的各位一位一位的依次傳送的通信方式。串行通信的速度很慢，但是占用的傳輸線條數(shù)少，適用于遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳送。 串行通信有單工、半雙工和全雙工之分。其中單工通信只允許一個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)。 A 機(jī)只能作為數(shù)據(jù)發(fā)送器， B 機(jī)只能作為數(shù)據(jù)接收器，數(shù)據(jù)只能從 A 端發(fā)送到 B 端，不能進(jìn)行相反方向的傳輸 ； 半雙工通信允許兩個(gè)方向傳送數(shù)據(jù)，但不能同時(shí)傳輸。 A 發(fā) B 收或 B 發(fā) A 收，交替進(jìn)行 ； 全雙工通信允許兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸， A 收 B 發(fā)的同時(shí)可以進(jìn)行 A 發(fā) B 收。 串行口的結(jié)構(gòu) 89C51 串行口的結(jié)構(gòu)由串行口控制 寄存器 SCON、發(fā)送和接收電路等三部分組成。 89C51 對(duì)串行口的控制是通過(guò) SCON 實(shí)現(xiàn)的，也和電源控制寄存器 PCON有關(guān)。 SCON 和 PCON 都是特殊功能寄存器，選口地址分別為 98H 和 87H，如圖 410 所示。 串行口的發(fā)送電路由“ SBUF（ 發(fā)送 ） ”、“零監(jiān)測(cè)器”和“發(fā)送控制器”等電路組成，用于串行口的發(fā)送 ； 接收電路由“ SBUF（ 接收 ） ”、“接收移位寄存器”和“接收控制器”等組成，用于串行口的接收。 SBUF（ 發(fā)送 ） ”和“ SBUF（ 接收 ） ”皆為 8 位緩沖寄存器 ： SBUF（ 發(fā)送 ） ”存放將要發(fā)送 的數(shù)據(jù) ； SBUF 24 （ 接 收 ） ”存放串行口收到的字符。值的特別指出的是， SBUF（ 發(fā)送 ） ”和“ SBUF （ 接收 ） ”共用一個(gè)選口地址 99H， CPU 通過(guò)執(zhí)行不